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Informe Olla de Presion

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Academic year: 2021

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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA

FACULTAD DE INGENIERIAS

FACULTAD DE INGENIERIAS

CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA 7M.2

CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA 7M.2

CALOR SENSIBLE EN SISTEMAS CERRADOS A PRESION

CALOR SENSIBLE EN SISTEMAS CERRADOS A PRESION

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Índice: Índice: OBJETIVO GENERAL OBJETIVO GENERAL... 3... 3 OBJETIVOS ESPECIFICOS OBJETIVOS ESPECIFICOS... 3... 3 INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN... 4... 4 CALOR  CALOR ... 6... 6

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA (SISTEMAS CERRADOS)

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA (SISTEMAS CERRADOS)... 10... 10

CALCULOS CON LA TABLA 1:

CALCULOS CON LA TABLA 1:... 24... 24

CALCULOS CON LA TABLA 2:

CALCULOS CON LA TABLA 2:... 36... 36

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:... 48... 48

BIBLIOGRAFIA:

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Índice: Índice: OBJETIVO GENERAL OBJETIVO GENERAL... 3... 3 OBJETIVOS ESPECIFICOS OBJETIVOS ESPECIFICOS... 3... 3 INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN... 4... 4 CALOR  CALOR ... 6... 6

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA (SISTEMAS CERRADOS)

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA (SISTEMAS CERRADOS)... 10... 10

CALCULOS CON LA TABLA 1:

CALCULOS CON LA TABLA 1:... 24... 24

CALCULOS CON LA TABLA 2:

CALCULOS CON LA TABLA 2:... 36... 36

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:... 48... 48

BIBLIOGRAFIA:

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OBJETIVO GENERAL

OBJETIVO GENERAL

Analizar un proceso en un sistema cerrado abierto a la atmosfera de manera

Analizar un proceso en un sistema cerrado abierto a la atmosfera de manera

experimental mediante una práctica de laboratorio.

experimental mediante una práctica de laboratorio.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

OBJETIVOS ESPECIFICOS

 Conocer en funcionamiento de una olla de presión así como también sus partesConocer en funcionamiento de una olla de presión así como también sus partes

 principales.

 principales.

 Con los datos obtenidos y registrados calcular el calor sensible trasferido a laCon los datos obtenidos y registrados calcular el calor sensible trasferido a la

olla.

olla.

 Analizar los datos y resultados obtenidos de la práctica mediante las curvas deAnalizar los datos y resultados obtenidos de la práctica mediante las curvas de

calor vs temperatura, calor vs presión etc.

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INTRODUCCIÓN

INTRODUCCIÓN

Cuando dos sistemas, a temperaturas diferentes, se ponen en contacto, la temperatura

Cuando dos sistemas, a temperaturas diferentes, se ponen en contacto, la temperatura

final que ambos alcanzan tiene un valor intermedio entre las dos temperaturas iniciales.

final que ambos alcanzan tiene un valor intermedio entre las dos temperaturas iniciales.

Ha habido una diferencia de temperatura en estos sistemas. Uno de ellos ha perdido

Ha habido una diferencia de temperatura en estos sistemas. Uno de ellos ha perdido

"calor" (su variación de temperatura es menor que cero ya que la temperatura final es

"calor" (su variación de temperatura es menor que cero ya que la temperatura final es

menor que la inicial) y el otro ha ganado "calor" (su variación de temperatura es

menor que la inicial) y el otro ha ganado "calor" (su variación de temperatura es

 positiva).

 positiva). La La cantidad cantidad de de calor calor (cedida (cedida uno uno al al otro) otro) puede puede medirse, medirse, es es una una magnitudmagnitud

escalar que suele ser representada mediante la letra Q.

escalar que suele ser representada mediante la letra Q.

Durante mucho tiempo se pensó que el calor era una especie de "fluido" que pasaba de

Durante mucho tiempo se pensó que el calor era una especie de "fluido" que pasaba de

un cuerpo a otro (se le conocía como calórico). Hoy se sabe que el calor es una onda

un cuerpo a otro (se le conocía como calórico). Hoy se sabe que el calor es una onda

electromagnética (posee la misma naturaleza que la luz) y su emisión depende de la

electromagnética (posee la misma naturaleza que la luz) y su emisión depende de la

vibración de los electrones de los átomos que forman el sistema.

vibración de los electrones de los átomos que forman el sistema.

Si el calor es precisamente otra forma de energía, cualquier unidad de energía puede ser 

Si el calor es precisamente otra forma de energía, cualquier unidad de energía puede ser 

una unidad de calor. El tamaño relativo de las "unidades de calor" y las "unidades

una unidad de calor. El tamaño relativo de las "unidades de calor" y las "unidades

mecánicas" puede encontrarse a partir de los experimentos en los cuales una cantidad

mecánicas" puede encontrarse a partir de los experimentos en los cuales una cantidad

conocida de energía mecánica, medida en joules, se añade al sistema (recipiente de agua,

conocida de energía mecánica, medida en joules, se añade al sistema (recipiente de agua,

 por

 por ejemplo). ejemplo). Del Del aumento aumento de de temperatura temperatura medido medido puede puede calcularse calcularse cuanto cuanto calor calor (en(en

calorías) tendremos que añadir a la muestra de agua para producir el mismo efecto. De

calorías) tendremos que añadir a la muestra de agua para producir el mismo efecto. De

esa manera puede calcularse la relación entre Joule.

esa manera puede calcularse la relación entre Joule.

En Manchester, Inglaterra, durante la década de 1840, James P. Joule (1818

En Manchester, Inglaterra, durante la década de 1840, James P. Joule (1818 –  – 1889)1889)

Realizó una serie experimentos en recipientes aislados, colocando en ellos cantidades

Realizó una serie experimentos en recipientes aislados, colocando en ellos cantidades

conocidas de agua, aceite y mercurio. El aparato que utilizó originalmente tenía unas

conocidas de agua, aceite y mercurio. El aparato que utilizó originalmente tenía unas

 pesas,

 pesas, y que al y que al caer, hacían caer, hacían girar un girar un conjunto de conjunto de paletas sumergidas paletas sumergidas en agua. en agua. La pérdidaLa pérdida

de energía mecánica (debido al rozamiento) se calculaba conociendo las pesas y las

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relación cuantitativa entre calor y trabajo, y que el calor es una forma de energía. Los resultados numéricos obtenidos fueron: 1 kcal = 1000 cal = 4186 joules.

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CALOR 

“ Calor, Q, es una forma de transporte de energía (energía térmica) entre dos sistemas

que están a distinta temperatura, por lo tanto está asociada a un proceso. El proceso microscópico por el que ocurre esta transferencia es simple aunque muy complejo de describir matemáticamente.”

1

El que dos sistemas tengan distinta temperatura significa que las partículas (átomos y/o moléculas) tienen distinta energía cinética media. En el de mayor temperatura las  partículas se moverán en promedio con mayores velocidades que en el de menor 

temperatura. Si se los sistemas se ponen en contacto a través de una pared lo que ocurrirá es que las partículas que choquen con ella intercambiarán su energía de la misma forma que en un choque elástico de dos masas con distinta energía cinética. De esta forma "poco a poco" un sistema irá perdiendo energía cinética y el otro ganándola (conservación de la energía) o lo que es lo mismo uno irá bajando su temperatura y el otro subiéndola hasta que estas se igualen. En este momento se ha llegado al equilibrio "térmico". Este es un equilibrio dinámico desde el punto de vista microscópico, es decir  seguirán intercambiándose energía cinética a través de la pared cada vez que lleguen  partículas a ella, pero estos cambios se compensan en promedio.

En realidad el proceso es algo más complicado pero es esencialmente el mismo: la pared tiene un papel intermediario entre los sistemas llevando energía térmica por choques de las partículas de cada sistema con las de la pared, luego entre estas y finalmente estas con las del otro sistema. Tal como está definido el calor no hay duda de que para que exista debe existir una diferencia de temperatura y por lo tanto NO tiene ningún sentido asignar calor a un estado termodinámico de equilibrio. Una pared que impida el paso de energía térmica es una pared aislante y que llamaremos también pared adiabática.

Un proceso donde no hay calor transferencia de energía térmica, lo llamamos adiabático. A nivel molecular es prácticamente imposible describir con expresiones matemáticas los detalles de la transferencia de energía térmica, sin embargo macroscópicamente acaba

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siendo elemental: sólo usamos una variable, Q, para representar la cantidad de energía térmica que pasa de un sistema a otro.

Con du cti vi dad tér mi ca 

Aunque todos los materiales son capaces de transferir energía térmica está claro que, cuantas más partículas participen en choques con las vecinas, mayor conductividad térmica mostrará un sistema, más rápidamente se producirá el intercambio de energía. Así los sistemas densos, sólidos y líquidos, tendrán mayor capacidad de conducción del calor que los gases. Por otra parte los metales y los fluidos ionizados, además de sus átomos ionizados, disponen de electrones aumentando el número de partículas capaces de transferir la energía térmica (y también carga). La rigidez del sólido también favorece la conducción ya que se transmite cualquier movimiento con mayor facilidad, el diamante es una de los mejores conductores del calor. Los aislantes usuales son sólidos  poco rígidos: blandos. La variable que caracteriza la capacidad de conducción térmica se

llama conductividad térmica κ y se define a través de la relación:

Flujo de calor = - κ A dT/dx (ley de Fourier).

Que relaciona el flujo de calor Q, energía térmica, por unidad de tiempo que atraviesa una superficie de área A de un material de espesor dx con una diferencia de temperatura dT entre sus extremos. La ley de Fourier se puede rescribir como:

dQ/dt = - κ A dT/dx.

Donde dQ no es una diferencia entre dos valores muy próximos como puede serlo dt, dT o dx (diferencia entre dos tiempos, dos temperaturas dos posiciones muy próximas respectivamente), sino simplemente una cantidad de calor muy pequeña (nunca una diferencia). Esta expresión nos dice que a mayor dT, mayor A y menor dx, mayor es la transferencia de calor, dQ, por unidad de tiempo, de acuerdo con la intuición. De la ley de Fourier se obtiene que las unidades de la constante k son julio/segundo-metro-Kelvin = Watios/metro-Kelvin. k varía mucho de un sistema a otro: entre el diamante y el aire k varía seis órdenes de magnitud. (k(diamante)=2300W/mK, k(aire)=0.026W/mK).

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Observe que esta ley es análoga a la Ley de Ohm y a la Ley de Fick. En efecto la corriente eléctrica es (ahora Q ser la carga):

IQ= dQ/dt = dV/R = dV / (dx / σ A) = σ A dV/dx,

Donde σ es la conductividad eléctrica y V el potencial. La corriente de partículas (difusión) es

IN= dN/dt =- D A dC/dx,

Donde D es el coeficiente de difusión. En todas estas expresiones hay una causa (diferencia de temperatura, de potencial o de concentración entre dos puntos distantes dx) que genera un transporte (energía, carga o partículas) y donde se supone que la causa no es demasiado fuerte para poder establecer una simple relación lineal entre ella y el efecto.

Convección 

Hay otra manera de transportar energía térmica que resulta del movimiento interno de  partes del sistema que simultáneamente está intercambiando calor con otro sistema de diferente temperatura. El ejemplo más claro es la transferencia de energía térmica que se  produce desde una superficie caliente al aire que le rodea; este se calienta, se dilata y desplaza al aire más frío que está a una mayor altura. En el desplazamiento va intercambiando energía térmica con el aire más frío. El resultado es una corriente ascendente de aire desde la superficie caliente hasta una cierta altura donde el aire está a una temperatura inferior. A la vez existe otra corriente de aire frío, de más baja temperatura, desde lo alto hasta la superficie. Estas corrientes se llaman de convección.

Un gradiente de temperatura acaba estableciéndose en la columna de aire (se supone que la parte alta del aire es un sumidero de energía para poder llegar al estado estacionario). El mismo caso es el de la ebullición del agua en un recipiente: las burbujas formadas en la parte inferior van intercambiando calor con el agua más fría.

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convección fue estudiada por Newton quien propuso la variación de calor por  convección puede aproximarse a (en contraste con la ley de Fourier, la de Newton es empírica):

dQ/dt = h A (TS - TF), (Ley de enfriamiento de Newton),

Donde h es el coeficiente de convección, A es el área de la superficie caliente, TS es su temperatura y TF es la del fluido suficientemente alejado de la superficie. h es una variable empírica que depende de un buen número de circunstancias (tipo de fluido, su velocidad, la geometría del sistema entre otras).

La ley de enfriamiento no tiene una base microscópica que la justifique, así que es una cuación obtenida exclusivamente de la observación. Las unidades de h deben ser W/m2 K. La convección puede ser forzada o no (libre) dependiendo de si existe un mecanismo adicional (por ejemplo un ventilador) que refuerce la transmisión de calor; la constante h debe ser necesariamente diferente si existe este mecanismo.

Radiación 

Todos los cuerpos por el mero hecho de tener temperatura emiten radiación electromagnética (EM) y por tanto pierden energía. La física estadística demuestra que la potencia perdida (energía por unidad de tiempo) está dada por:

P = ε σ A T4, (Ley de Stefan-Boltzmann)

Donde A es el área de la superficie del cuerpo, T la temperatura absoluta del cuerpo y σ es la constante universal de Stefan-Boltzmann (σ= 5.67x10-8 W/(m2K4)). ε, emitancia, es una constante que depende de cada cuerpo y su valor está comprendido entre cero y uno. Simultáneamente a la emisión EM, todos los cuerpos absorben radiación EM de los cuerpos que les rodean. La energía recibida por unidad de tiempo, potencia, sigue una ley semejante a la de emisión:

P = α σ A T4

Donde ahora α es el coeficiente de absorción, absortancia, cuyo valor vuelve a estar  entre cero y uno y T la temperatura del cuerpo emisor. Usualmente ε tiene un valor muy  parecido a α como ε dependen incluso de la frecuencia de la radiación EM). El balance

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de energía del intercambio de energía EM puede escribir de forma aproximada, con la aproximación a ≈ε, como,

P = ε σ A (TS4 – T alrededores 4).

El caso en el que ε=α=1 es el del llamado cuerpo negro.

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA (SISTEMAS

CERRADOS)

Si un sistema es cerrado (no hay tiene intercambio de energía con el resto del universo, los alrededores) cualquier pequeño cambio de energía interna, dU, del sistema es debido al balance de la transferencia de calor, dQ, y el trabajo realizado, dW, por o sobre el sistema. Esta sentencia no describe sino la conservación de la energía. Hay un convenio, artificial y confuso, para poner signo a las variaciones de energía. Naturalmente nadie discute que dU>0 si el sistema aumenta su energía en un proceso termodinámico y naturalmente el resto del universo pierde la misma cantidad de energía. Pero el trabajo, W, y el calor, Q, es un intercambio de energía que gana (o pierde) una de las partes, sistema o resto del universo, y por lo tanto pierde (o gana) la otra. ¿Qué signo ponemos a Q y W? Siempre estamos interesados en las propiedades del sistema y normalmente lo miramos todo desde el punto de vista del sistema así que, si no hay trabajo, escribimos dU=dQ indicando que cuando dQ>0 el sistema recibe energía (térmica) y debe aumentar   por tanto su energía interna y cuando dQ<0 el sistema cede energía (térmica) y debe

disminuir su energía interna. Esto es muy razonable y “debería” hacerse lo mismo con el trabajo: en un proceso puramente mecánico (dQ=0) deberíamos escribir dU=dW. Pero se hace justo lo contrario (salvo en el mundo de los físicos): dU=-dW y se añade una coletilla para compensar el signo – (es decir para que tenga sentido la igualdad) dW es + si el sistema hace trabajo (pierde energía para hacerlo y así dU<0) y es - si se hace trabajo sobre el sistema (gana energía y así dU>0).

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Y es la forma que seguiremos durante el curso. Fíjese que la energía total E del sistema  puede adquirir también energía cinética y energía potencial. El cambio de energía total

se puede escribir:

dE = dQ – dW donde dE = dU + dEc+ dEp .

 Notas: En muchas circunstancias la energía cinética cambia a costa de la potencial gravitatoria por lo que se cancelan y el cambio de energía total se reduce al de la energía interna.

Cuando un sistema ha seguido un proceso finito termodinámico (hasta el momento sólo hemos considerado un proceso entre dos estados muy próximos y por eso los cambios han sido infinitesimales) a través de sucesivos estados de equilibrio, el calor total Q y el trabajo total W es la suma de los pequeños calores dQ y dW sufridos por el sistema a lo largo del proceso:

Q= ∫dQ y W=∫dW (¡NO son integrales de Q y W, son sumas de pequeñas contribuciones dQ y dW!)

Y la primera Ley para el proceso completo se escribe (ignorando los posibles cambios de energía cinética y potencial):

∆U = Q – W.

Fíjese que si el proceso acaba dejando el sistema en el mismo estado que en el que estaba inicialmente la energía interna tendrá que volver a ser la misma, es decir ΔU=0 y  por tanto:

0 = Q – W.

Estos procesos se llaman ciclos. Otra manera de escribir la ley es expresar los cambios de las distintas energías por unidad de tiempo (potencia):

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dU/dt = dQ/dt – dW/dt, (¡NO son derivadas de Q y W, son cocientes de dQ y dW entre dt!).

Sin embargo hay que tener cuidado con esta expresión ya que estrictamente los procesos entre estados de equilibrio necesitan de un tiempo infinito (recuerde la discusión sobre el equilibrio del capítulo primero) incluso entre estados de equilibrio muy próximos. Por lo tanto las variaciones de energía con el tiempo se deben entender de forma práctica, es decir como los cambios de energía producidos en los tiempos reales aunque no se haya llegado al equilibrio absoluto; lo que estamos haciendo es barrer debajo de la alfombra en la esperanza de que no se note demasiado: las variables han tomado un valor que para que queremos estén suficientemente bien definidas para que el proceso no sea muy diferente del que estamos suponiendo entre los sucesivos estados de equilibrio.

Repr esentaci ón g eométr i ca del tr abaj o y el cal or .

El trabajo realizado en un proceso con cambio de volumen tiene una forma muy clara y útil de representarse en un diagrama p-v (y también en los diagramas equivalentes F-x, γ-A, σ-L, … para otros tipos de trabajo). El trabajo en un proceso infinitesimal está dado dW=pdV (para el criterio del signo escogido para el trabajo, con el otro criterio sería –   pdV). Esta expresión dice que un pequeño cambio de volumen, dV, en un sistema que está a una presión p requiere un trabajo dado por el producto de la presión del sistema y el cambio de volumen. El cambio de volumen es tan pequeño que los cambios depresión en este proceso infinitesimal, también infinitesimales, producen contribuciones de segundo orden al trabajo.

El caso es que el trabajo dW resulta ser el área del rectángulo de altura p y anchura dV. Si el proceso es finito, el trabajo total es la suma de contribuciones infinitesimales  p1dV1+ p2dV2+ p3dV3+ ... + pfinaldVfinal (esta suma es lo que llamamos integral y

que simplificamos escribiendo ∫pdV ) o lo que es lo mismo la suma de las áreas correspondientes, que es en definitiva el área encerrada por la curva que representa el  proceso en el diagrama p-v, el eje v y las presiones inicial y final.

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Es tan útil la representación geométrica del trabajo que no estaría demás poder contar  con algo similar para el calor. Para ello necesitamos introducir la variable entropía. Más adelante cuando estudiemos la segunda ley de la termodinámica veremos con cierto detenimiento el significado de la entropía, ahora vamos a introducirla desde un punto de vista práctico que nos ayudará a discutir y evaluar los cambios de energía en distintos  procesos y representar gráficamente el calor. Vamos a suponer que existe una propiedad

que depende del estado del sistema (y naturalmente de la sustancia) que llamamos entropía y tal que dQ=TdS: un cambio infinitesimal de entropía de un sistema que está a una temperatura T requiere una transferencia de calor dado por el producto de la temperatura del sistema y el cambio de entropía.

Observe el paralelismo entre dW=pdV y dQ=TdS. P y T son variable intensivas, V y S son extensivas (lo veremos más adelante para el caso de S), todas ellas existen como variables de estado del sistema (variables de estado) pero dW y dQ sólo existen en un  proceso. Podríamos tener la tentación de utilizar la expresión dQ=TdS como una

definición de S, pero esto no es un asunto trivial al ser T y S son funciones de estado y Q no. Tendríamos que demostrar que existe tal variable, S, función de estado y que dQ=TdS.

Supongamos que existe. Podemos hacer como los mecánicos británicos del siglo XVIII que se dieron cuenta que las calorías del carbón quemado se podía poner como producto de la temperatura y otra cantidad (dS) y construyeron tablas de estas variables para su uso en las máquinas de vapor usadas en minas, telares, molinos y locomotoras. Desconocían su significado, y quizás ni se lo preguntaron, pero demostraron su existencia de forma práctica.

De momento haremos casi lo mismo: aceptamos de momento que existe una propiedad, S, que llamamos entropía, es decir es una función de estado, que además es aditiva, la entropía total es la suma de las entropías de las partes del sistema, y finalmente que dQ=TdS. Ahora es evidente que en el diagrama T-S, el calor de un proceso es el área encerrada por la curva que representa un proceso, el eje de S y la entropía inicial y final.

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dU = TdS – pdV.

Aplicación 

La primera ley de la termodinámica se aplica a todo proceso de la naturaleza que parte de un estado de equilibrio y termina en otro. Un sistema está en estado de equilibrio cuando puede ser descrito por medio de un grupo apropiado de parámetros constantes del sistema como presión, el volumen, temperatura, campo magnético, entre otros. La  primera ley sigue cumpliéndose si los estados por los que pasa el sistema de un estado

inicial (equilibrio), a su estado final (equilibrio), no son ellos mismos estados de equilibrio. Por ejemplo, es posible aplicar la ley de la termodinámica a la explosión de un cohete en un tambor de acero cerrado.

La primera ley establece que la energía se conserva, sin embargo, cuando un cuerpo caliente y otro frío se ponen en contacto no ocurre que el primero se pone más caliente y el segundo más frío.

Si bien no se viola la primera ley, esta no restringe la capacidad de convertir trabajo en calor o calor en trabajo, especifica únicamente que la energía debe conservarse durante el proceso. La realidad es que, aunque es posible convertir una pequeña cantidad de trabajo en calor, no se ha podido hallar un procedimiento que convierta por completo una cantidad dada de calor en trabajo. La segunda ley de la termodinámica se ocupa de este problema y aunque su contenido pueda parecer abstracto, su aplicación ha demostrado ser extremadamente práctico.

B al an ce de ener gía par a sistemas cer r ados 

En un sistema cerrado no hay transferencia de materia entre él y los alrededores, por lo tanto, no hay transporte de energía interna, sin embargo, la energía puede entrar y salir  del sistema en forma de calor o trabajo.

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Todos los cambios en la energía entre un sistema cerrado y sus alrededores aparecen como calor y trabajo, y el cambio total en la energía de los alrededores es igual a la energía neta transferida a o desde él como calor o trabajo.

∆E alrededores = + Q + W

∆E alrededores = Q alrededores + W alrededores = - Q - W

∆E sistema = Q + W = Ek + Ep + U

Los sistemas cerrados con frecuencia se someten a procesos que ocasionan que no haya cambios en el sistema más que en su energía interna. Para este tipo de procesos

∆U = Q+ W

Propiedades tales como U, que dependen de la cantidad de materia presente en el sistema, reciben el nombre de propiedades extensivas. Las propiedades que son independientes de la cantidad de materia, tales como T y P, se conocen como  propiedades intensivas.

Calor latente y calor sensibl e 

Calor latente: Es la energía absorbida por las sustancias al cambiar de estado, de sólido a líquido (calor latente de fusión) o de líquido a gaseoso (calor latente de vaporización). Al cambiar de gaseoso a líquido y de líquido a sólido se devuelve la misma cantidad de energía. Latente en latín quiere decir escondido, y se llama así porque, al no cambiar la temperatura durante el cambio de estado, a pesar de añadir calor, éste se quedaba escondido. La idea proviene de la época en la que se creía que el calor era una sustancia fluida denominada Flogisto

Calor sensible:

Por el contrario, el calor que se aplica cuando la sustancia no cambia de estado, aumenta la temperatura y se llama calor sensible. Se denomina calor sensible al que aplicado a una sustancia hace subir su temperatura.

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El nombre proviene de la oposición a calor latente. Éste es calor escondido, se suministra pero no se nota el efecto de aumento de temperatura sobre la sustancia, como un cambio de fase de líquido a vapor; en el calor latente, se nota.

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INVESTIGACION:

 ¿Qu ées u n a ol l a de pr esi ón ? 

Una olla a presión es como cualquier otro recipiente para cocinar, pero su tapa especial le permite cerrarse de forma hermética. Cuando se calienta agua en su interior, ésta hierve y el vapor generado no puede escapar del recipiente, de modo que permanece en su interior y comienza a generar presión.

Bajo presión, la temperatura de cocción es mucho mayor que en condiciones normales (mayor que el punto de ebullición del agua, que es 100ºC), y por tanto la comida se cocina con mayor rapidez.

Los tiempos de cocción pueden reducirse hasta un factor de 3 ó 4.

Además de cocinar más deprisa, los nutrientes presentes en la comida se retienen mejor.

 ¿Cu áles son l as pa r tes de l a ol l a de pr esi ón ? 

 Tapa: La tapa cuenta con un mango, con una válvula de escape enla parte

superior y con un caucho que cubre su alrededor en la parte inferior. Tiene forma ovalada con un mango en su parte derecha y el material con el que está hecha es aluminio o acero inoxidable

 Caucho: Este es el que permite el ajuste perfecto ajuste entre la tapa y el

recipiente. Es de forma circula y esta echo en caucho de goma.

 Mango: Es la parte que permite sujetar a la olla presión para trasladarla de un

lugar a otro sin que suframos accidentes-Esta esta hacho en plástico atérmico

 Válvula de escape: La válvula de escape es la que se encarga en primera estancia

de sostener el aire comprimido con la ayuda del caucho y en segunda estancia de dejarlo escapar cuando hay demasiado. Tiene forma cilíndrica y esta echa en material de aluminio o acero inoxidable

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 ¿Cu ál es el fu n ci on am i en to de l a ol l a de pr esi ón ? 

En contra de lo que se cree, en el interior de una olla a presión el agua no llega nunca a hervir. Lo que acelera la cocción es el simple incremento de la temperatura del agua.

Las condiciones de presión y temperatura en el interior de la olla a presión (1→2) impiden la ebullición del líquido, salvo si se enfría rápidamente el vapor de agua  provocando un rápido descenso de la  presión (2→3).

Si se observa el diagrama de la figura, la ebullición se logrará siempre y cuando se consiga atravesar la denominada «línea de

cambio de estado», la que separa las zonas de líquido (L) y gas (G) en el diagrama termodinámico. Sin embargo, cuando se cierra la tapa de la olla la mayoría del gas contenido en su interior será aire, no vapor de agua, de modo que en todo momento la  presión en el interior será la suma de la debida al vapor de agua, cuya cantidad se va

incrementando por efecto de la evaporación a medida que aumenta la temperatura, y al aire, cuya presión parcial es la responsable de que a medida que se calienta la olla la  presión en el interior se aleje más y más de la de saturación, lo que impide la ebullición del agua en el interior de la olla, es decir, la línea de cambio de estado no corta nunca a la línea 1→2 que representa la evolución de las condiciones de presión y temperatura en el interior de la olla.

Del mismo modo, una vez alcanzada la presión máxima que determina la válvula (por su  peso o por un muelle) en el interior de la olla, ésta no puede modificarse, y mantenerla a fuego fuerte no acelera la cocción sino que simplemente incrementa la evaporación de agua y las pérdidas de vapor por la válvula.

Excepcionalmente puede producirse la ebullición de darse un enfriamiento rápido de la mezcla de aire y vapor de agua; por ejemplo, si se quiere abrir rápidamente la olla y se

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interior de la olla de modo que se alcanza la línea de cambio de estado (2→3), y se  produce la ebullición súbita del agua, con una virulencia que puede provocar incluso que

el líquido escape por la junta de estanquidad del recipiente o la propia válvula. Otro tanto sucede si la olla se abre cuando aún está a presión, con el consiguiente riesgo de sufrir quemaduras por las salpicaduras de líquido caliente o el propio vapor.

Di ferencia entr e oll a de presión y marmi ta 

Una marmita es un recipiente de la familia de las ollas que dispone de una tapa para aprovechar el vapor, y una o dos asas. Para la RAE es olla exclusivamente metálica, aunque en el uso popular del término en la mayoría de los países de habla hispana, la marmita es sinónimo de olla,  puchero o cazuela, y por tanto, puede estar hecha de los materiales comunes a dichos útiles de cocina, desde el barro hasta la cerámica más sofisticada, pasando por el vidrio, aleaciones metálicas, etc.1 En otros contextos tanto culturales como geográficos, la marmita se identifica con el ancestral caldero metálico.

Apl icacion es de la ol l a de pr esión 

La olla de presión tiene muchos usos, sin embargo la más común es cocinar algún  producto en un menor tiempo de lo que tardaría si se cuece en algún otro recipiente.

Esto es debido a que al no tener una salida para los vapores, existe un aumento de  presión en el interior de la olla, lo cual genera más calor.

 ¿Cu ál es l a pr esi ón en la ci u dad de Qu i to? 

La presión atmosférica para la ubicación de la cuidad de quito se la puede determinar  con la siguiente formula:

(21)

Entonces:



()()







 

 ¿Qu ées va por satu r ado ? 

El “vapor saturado” es vapor a la temperatura de ebullición del líquido. Es el vapor que si desprende cuando el líquido hierve. Se obtiene en calderas de vapor. El vapor se utiliza en multitud de procesos industriales difícil de señalar de un vistazo, pues interviene en procesos físicos, químicos i otros, en la obtención de múltiples elemento. También es el método más efectivo y e menor costo para esterilizar la mayoría de los objetos de uso hospitalario, mediante autoclaves. Se utiliza el vapor saturado a presión atmosférica en la hidrodestilacion, que son procesos donde por ejemplo: se obtiene el aceite esencial de una planta aromática. En labores de limpieza con vapor. En la  pasteurización de alimentos y bebidas, etc. en sistemas de calefacción central urbana,

etc.

 ¿Qu ées va por sobr eca l en tad o? 

El “vapor sobrecalentado” es vapor de agua a una temperatura mayor que la del punto de ebullición. Parte del vapor saturado y se le somete a un recalentamiento con el que alcanza mayor temperatura. También se obtiene en las calderas de vapor pero tienen secciones de recalentamiento para el vapor haciendo pasar el vapor que se obtiene en la ebullición por tubos expuestos a los gases calientes del proceso de combustión. Se obtiene para mover maquinas (de pistones y turbinas). Aunque también se ha usado el vapor saturad, el sobrecalentado tiene ventajas, así que se usa en locomotoras de vapor  (con muy pequeño grado de recalentamiento), accionamiento de barcos, generación eléctrica en centrales termoeléctricas, tanto convencionales como nucleares llamadas ciclos combinados. También se utilizan en varios procesos industriales como por  ejemplo el de secado de la madera, destilación, obtención del coke etc.

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Apl icacion es de calor sensibl e y calor lat ente 

Las principales aplicaciones y usos del calor latente y del calor sensible los podemos encontrar en sistemas de refrigeración, intercambiadores de calores, calderas, compresores, aires acondicionados así como también en equipos de calefacción.

 ¿Po r qu élos l ago s se co n gel an pr i m er o en su su per f i ci e? 

El agua presenta un anomalía poco frecuente en las sustancias, que al enfriarse se achican. El agua por el contrario, a una temperatura de como 4 grados se dilata, o sea, cuando se empieza a congelar se cristaliza dejando espacios entre sus partículas y ocupando más espacio.

lo normal sería que cuando un sustancia se enfría se valla al fondo y suba la parte más caliente, pero debido a esta característica especial del agua, al enfriarse ocupa más espacio con la misma cantidad de partículas, o sea sufre una disminución de densidad,  puede flotar, formando así una capa sobre el agua que aún está en estado liquido

(23)

DATOS REGISTRADOS:

Líquido: AGUA Volumen inicial: 4 LITROS

Masa: 4KG Tiempo

(min) Presion (Kpa) Temperatura (°C) Calor (kJ/kg)

0 74,2 atm 20 1 0,1 bar 24 2 0,1 bar 30 3 0,1 bar 36 4 0,1 bar 42 5 0,1 bar 48 6 0,1 bar 52 7 0,1 bar 59 8 0,1 bar 64 9 0,1 bar 70 10 0,1 bar 76 11 0,1 bar 81 12 0,1 bar 88 13 0,2 bar 93 14 0,5 bar 100 15 0,7 bar 103 16 0,7 bar 101

(24)

Líquido: AGUA Volumen inicial: 5 LITROS

Masa: 5KG Tiempo

(min) Presion (Kpa) Temperatura (°C) Calor (kJ/kg)

0 74,2 atm 22 1 0,1 bar 24 2 0,1 bar 30 3 0,1 bar 36 4 0,1 bar 42 5 0,1 bar 49 6 0,1 bar 54 7 0,1 bar 59 8 0,1 bar 65 9 0,1 bar 70 10 0,1 bar 76 11 0,1 bar 81 12 0,1 bar 87 13 0,25 bar 93 14 0,4 bar 99 15 0,6 bar 105 16 0,7 bar 108

(25)

CALCULOS CON LA TABLA 1:

   

 





(



)

     ()

(26)

Líquido: AGUA Volumen inicial: 4 LITROS

Masa: 4KG Tiempo

(min) Presion (Kpa) Temperatura (°C) Calor (kJ/kg)

0 74,2 atm 20 1 0,1 bar 24 2 0,1 bar 30 3 0,1 bar 36 4 0,1 bar 42 5 0,1 bar 48 6 0,1 bar 52 7 0,1 bar 59 8 0,1 bar 64 9 0,1 bar 70 10 0,1 bar 76 11 0,1 bar 81 12 0,1 bar 88 13 0,2 bar 93 14 0,5 bar 100 15 0,7 bar 103 16 0,7 bar 107

(27)

kg °C °C KJ/Kg.°k KJ s masa T° 1 T° 2 Cp Q t 4 20 24 4,18 66,88 60 4 24 30 4,178 100,272 60 4 30 36 4,178 100,272 60 4 36 42 4,179 100,296 60 4 42 48 4,18 100,32 60 4 48 52 4,182 66,912 60 4 52 59 4,184 117,152 60 4 59 64 4,187 83,74 60 4 64 70 4,19 100,56 60 4 70 76 4,196 100,704 60 4 76 81 4,197 83,94 60 4 81 88 4,203 117,684 60 4 88 93 4,208 84,16 60 4 93 100 4,216 118,048 60 4 100 103 4,216 50,592 60 4 103 107 4,216 67,456 60

Tabla 4: Calculo del Color y la Potencia, mediante una macros de EXCEL, volumen de 4 lt (Autor)

Cur va Calor vs Temper atur a 

Temperatura (°C) Calor KJ 24 66,88 30 100,272 36 100,272 42 100,296 48 100,32 52 66,912 59 117,152 64 83,74 70 100,56 76 100,704 81 83,94 88 117,684 93 84,16 100 118,048

(28)

Tabla 6: Curva Calor VS Temperatura (Autor)

Cal or (u sando l as tabl as term odin ámi cas): 

   



    

T 20°C

  (  )

T 24°C T °C h KJ/kg 20 83,915 24 h 25 104,83 h 100,647

 

(  )

T 30°C

  (  )

0 10 20 30 40 50 60 70 0 20 40 60 80 100 120 140 Temperatura °C Calor KJ

(29)

T 36°C T °C h KJ/kg 35 146,64 36 h 40 167,53 h 150,818

 

(  )

T 42°C T °C h KJ/kg 40 167,53 42 h 45 188,44 h 175,894

 

(  )

T 48°C T °C h KJ/kg 45 188,44 48 h 50 209,34 h 200,98

 

(  )

T 52°C T °C h KJ/kg 50 209,34 52 h 55 230,26 h 217,708

 

(  )

(30)

T 59°C T °C h KJ/kg 55 230,26 59 h 60 251,18 h 246,996

 

(  )

T 64°C T °C h KJ/kg 60 251,18 64 h 65 272,12 h 267,932

 

(  )

T 70°C

  (  )

T 76°C T °C h KJ/kg 75 314,03 76 h 80 335,02 h 318,228

 

(  )

T 81°C T °C h KJ/kg 80 335,02 81 h 85 356,02 h 339,22

 

(  )

(31)

T 88°C T °C h KJ/kg 85 356,02 88 h 90 377,04 h 368,632

 

(  )

T 93°C T °C h KJ/kg 90 377,04 93 h 95 398,09 h 389,67

 

(  )

T 100°C

  (  )

T 103°C T °C h KJ/kg 100 419,17 103 h 105 440,28 h 431,836

 

(  )

T 107°C T °C h KJ/kg 105 440,28 107 h 110 461,42 h 448,736

 

(  )

(32)

kg KJ/Kg.°k KJ/Kg.°k KJ s m h1 h2 Q t 4 83,915 100,647 66,928 60 4 100,647 125,74 100,372 60 4 125,74 150,818 100,312 60 4 150,818 175,894 100,304 60 4 175,894 200,98 100,344 60 4 200,98 217,708 66,912 60 4 217,708 246,996 117,152 60 4 246,996 267,932 83,744 60 4 267,932 293,07 100,552 60 4 293,07 318,228 100,632 60 4 318,228 339,22 83,968 60 4 339,22 368,632 117,648 60 4 368,632 389,67 84,152 60 4 389,67 419,17 118 60 4 419,17 431,836 50,664 60 4 431,836 448,736 67,6 60

Tabla 4.1: Calculo del Color y la Potencia, mediante u na macros de EXCEL, volumen de 4 lt (Autor)

Cur va Calor vs Temper atur a 

Temperatura (°C) Calor KJ 24 66,928 30 100,372 36 100,312 42 100,304 48 100,344 52 66,912 59 117,152 64 83,744 70 100,552 76 100,632 81 83,968 88 117,648 93 84,152 100 118 103 50,664 101 67,6

(33)

Tabla 6.1: Curva Calor VS Temperatura (Autor)

Cur va Presi ón vs Temper atur a 

Temperatura (°C) Presión bar 24 0,1 30 0,1 36 0,1 42 0,1 48 0,1 52 0,1 59 0,1 64 0,1 70 0,1 76 0,1 81 0,1 88 0,1 93 0,2 100 0,5 103 0,7 0 10 20 30 40 50 60 70 0 20 40 60 80 100 120 140 Temperatura °C Calor KJ

(34)

Tabla 8: Curva Presión VS Temperatura (Autor)

Cur va Calor vs Pr esi ón 

Calor KJ Presión bar 66,928 0,1 100,372 0,1 100,312 0,1 100,304 0,1 100,344 0,1 66,912 0,1 117,152 0,1 83,744 0,1 100,552 0,1 100,632 0,1 83,968 0,1 117,648 0,1 84,152 0,2 118 0,5 50,664 0,7 67,6 0,7

Tabla 9: Datos de Calor VS Presión (Autor)

0 20 40 60 80 100 120 0 50 100 150 200 T (°C) P (bar)

(35)

Tabla 10: Curva Calor VS Presión (Autor)

Cur va Calor vs Ti empo 

Calor KJ Tiempo t 66,928 1 100,372 2 100,312 3 100,304 4 100,344 5 66,912 6 117,152 7 83,744 8 100,552 9 100,632 10 83,968 11 117,648 12 84,152 13 118 14 50,664 15 67,6 16

Tabla 11: Datos de Calor VS Tiempo(Autor)

0 20 40 60 80 100 120 140 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Q (kJ) P (bar)

(36)

Tabla 12: Curva Calor VS Tiempo (Autor) 0 20 40 60 80 100 120 140 0 5 10 15 20 Q (kJ) t (min)

(37)

CALCULOS CON LA TABLA 2:

   

 





(



)

     ()

(38)

Líquido: AGUA Volumen inicial: 5 LITROS

Masa: 5KG Tiempo

(min) Presion (Kpa) Temperatura (°C) Calor (kJ/kg)

0 74,2 atm 22 1 0,1 bar 24 2 0,1 bar 30 3 0,1 bar 36 4 0,1 bar 42 5 0,1 bar 49 6 0,1 bar 54 7 0,1 bar 59 8 0,1 bar 65 9 0,1 bar 70 10 0,1 bar 76 11 0,1 bar 81 12 0,1 bar 87 13 0,25 bar 93 14 0,4 bar 99 15 0,6 bar 105 16 0,7 bar 108

(39)

kg °C °C KJ/Kg.°k KJ s masa T° 1 T° 2 Cp Q t 5 22 24 4,18 41,8 60 5 24 30 4,178 125,34 60 5 30 36 4,178 125,34 60 5 36 42 4,179 125,37 60 5 42 49 4,181 146,335 60 5 49 54 4,182 104,55 60 5 54 59 4,184 104,6 60 5 59 65 4,187 125,61 60 5 65 70 4,19 104,75 60 5 70 76 4,194 125,82 60 5 76 81 4,197 104,925 60 5 81 87 4,202 126,06 60 5 87 93 4,208 126,24 60 5 93 99 4,214 126,42 60 5 99 105 4,216 126,48 60 5 105 108 4,216 63,24 60

Tabla 13: Calculo del Color y la Potencia, mediante una macros de EXCEL, volumen de 5 lt (Autor)

Cur va Calor vs Temper atur a 

Temperatura (°C) Calor KJ 24 41,8 30 125,34 36 125,34 42 125,37 49 146,335 54 104,55 59 104,6 65 125,61 70 104,75 76 125,82 81 104,925 87 126,06 93 126,24 99 126,42 105 126,48

(40)

Tabla 15: Curva Calor VS Temperatura (Autor)

Cal or (u sando l as tabl as term odin ámi cas): 

   



    

T 22°C T °C h KJ/kg 20 83,915 22 h 25 104,83 h 92,281

 

(  )

T 24°C T °C h KJ/kg 20 83,915 24 h 25 104,83 h 100,647

 

(  )

0 20 40 60 80 100 120 0 50 100 150 200 T (°C) Q (kJ)

(41)

T 30°C

  (  )

T 36°C T °C h KJ/kg 35 146,64 36 h 40 167,53 h 150,818

 

(  )

T 42°C T °C h KJ/kg 40 167,53 42 h 45 188,44 h 175,894

 

(  )

T 49°C T °C h KJ/kg 45 188,440 49 h 50 209,34 h 205,16

 

(  )

T 54°C T °C h KJ/kg 50 209,34 54 h 55 230,26 h 226,076

 

(42)

T 59°C T °C h KJ/kg 55 230,26 59 h 60 251,18 h 246,996

 

(  )

T 65°C

  (  )

T 70°C

  (  )

T 76°C T °C h KJ/kg 75 314,03 76 h 80 335,02 h 318,228

 

(  )

T 81°C T °C h KJ/kg 80 335,02 81 h 85 356,02 h 339,22

 

(  )

(43)

T 87°C T °C h KJ/kg 85 356,02 87 h 90 377,04 h 364,428

 

(  )

T 93°C T °C h KJ/kg 90 377,04 93 h 95 398,09 h 389,67

 

(  )

T 99°C T °C h KJ/kg 95 398,09 99 h 100 419,17 h 414,954

 

(  )

T 105°C

  (  )

T 108°C T °C h KJ/kg 105 440,28 108 h 110 461,42 h 452,964

 

(  )

(44)

kg KJ/Kg.°k KJ/Kg.°k KJ s m h1 h2 Q t 5 92,281 100,647 41,83 60 5 100,647 125,74 125,465 60 5 125,74 150,818 125,39 60 5 150,818 175,894 125,38 60 5 175,894 205,16 146,33 60 5 205,16 226,076 104,58 60 5 226,076 246,996 104,6 60 5 246,996 272,12 125,62 60 5 272,12 293,07 104,75 60 5 293,07 318,228 125,79 60 5 318,228 339,22 104,96 60 5 339,22 364,428 126,04 60 5 364,428 389,67 126,21 60 5 389,67 414,954 126,42 60 5 414,954 440,28 126,63 60 5 440,28 452,964 63,42 60

Tabla 13.1: Calculo del Color y la Potencia, mediante una macros de EXCEL, volumen de 4 lt (Autor)

Cur va Calor vs Temper atur a 

Temperatura (°C) Calor KJ 24 41,83 30 125,465 36 125,39 42 125,38 49 146,33 54 104,58 59 104,6 65 125,62 70 104,75 76 125,79 81 104,96 87 126,04 93 126,21 99 126,42 105 126,63 108 63,42

(45)

Tabla 15.1: Curva Calor VS Temperatura (Autor)

Cur va Presi ón vs Temper atur a 

Temperatura (°C) Presión bar 24 0,1 30 0,1 36 0,1 42 0,1 49 0,1 54 0,1 59 0,1 65 0,1 70 0,1 76 0,1 81 0,1 87 0,1 93 0,2 99 0,5 105 0,7 108 0,7

Tabla 16: Datos de Presión VS Temperatura (Autor)

0 20 40 60 80 100 120 0 50 100 150 200 T (°C) Q (kJ)

(46)

Tabla 17: Curva Presión VS Temperatura (Autor)

Cur va Calor vs Pr esi ón 

Calor KJ Presión bar 41,83 0,1 125,465 0,1 125,39 0,1 125,38 0,1 146,33 0,1 104,58 0,1 104,6 0,1 125,62 0,1 104,75 0,1 125,79 0,1 104,96 0,1 126,04 0,1 126,21 0,2 126,42 0,5 126,63 0,7 63,42 0,7

Tabla 18: Datos de Calor VS Presión (Autor)

0 20 40 60 80 100 120 0 0.2 0.4 0.6 0.8 T (°C) P (bar)

(47)

Tabla 19: Curva Calor VS Presión (Autor)

Cur va Calor vs Ti empo 

Calor KJ Tiempo t 41,83 1 125,465 2 125,39 3 125,38 4 146,33 5 104,58 6 104,6 7 125,62 8 104,75 9 125,79 10 104,96 11 126,04 12 126,21 13 126,42 14 126,63 15 63,42 16

Tabla 20: Datos de Calor VS Tiempo (Autor)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Q(kJ) P (bar)

(48)

Tabla 21: Curva Calor VS Tiempo (Autor) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 5 10 15 20 Q (kJ) t (min)

(49)

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:

 Debido a la altitud a la se encuentra la ciudad de Quito, la presión atmosférica es

menor que la que se registra a nivel de mar.

 La olla de presión es un instrumento que nos ayuda en la cocción de alimentos en

un menor tiempo.

 La válvula de escape de la olla de presión, es la encargada de regular la presión

que se va generando dentro de la olla e irlo evacuando de una forma regulada.

 Verificar y calibrar todos los instrumentos de medición, para no registrar datos

Referencias

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